Messtechnik und Sensorik: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 10 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Wheatstone-Brücke und Dehnungsmessstreifen

Teilerspannungen
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Ausfuhr
Vab = Va − Vb
Bilanz
R1/R2 = R3/R4
Schleifdrahtbrücke
R/Rx = l/(100 − l)
Thévenin-Widerstand
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
k-Faktor
ΔR/R = GF·ε
Brückenausgangsspannung
Viertelbrücke Vs·GF·ε/4, Halbbrücke Vs·GF·ε/2, Vollbrücke Vs·GF·ε
Kleine Änderung, ein Zweig
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Spannung
σ = E·ε

Methode

  1. Behandle die Brücke als zwei Spannungsteiler an derselben Versorgung.
  2. Setze für den Abgleich R₁/R₂ = R₃/R₄ und löse nach dem unbekannten Widerstand auf.
  3. Bestimme bei einer nicht abgeglichenen Brücke Va und Vb aus den Teilern und bilde die Differenz; verwende die Thevenin-Ersatzschaltung, wenn ein Messgerät den Ausgang belastet.
  4. Rechne bei Dehnungsmessstreifen die Dehnung in ΔR/R = GF·ε um und verwende Vs·GF·ε/4, /2 oder ×1 für eine Viertel-, Halb- oder Vollbrücke.

Messdatenerfassung und Abtastung

Nyquist-Kriterium
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Alias-Frequenz
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Schrittweite
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Quantisierungsfehler (Runden)
±½ LSB
ADC-Code bei Abschneiden
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits für eine Auflösung r
2ᴺ ≥ span/r
Ideales SQNR, Sinus mit Vollaussteuerung
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Datenrate
Kanäle × fs × N bit/s
Gemultiplexter ADC
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/Baudrate; 8N1 = 10 Bit pro Byte; Byte/s = Baudrate/Bits pro Frame
Baudraten-Teiler
baud = fclk/(16·D)

Methode

  1. Schreibe auf, was gegeben ist: Abtastrate, Signalfrequenzen, Bitanzahl, Eingangsbereich, Baudrate.
  2. Vergleiche bei Abtastaufgaben jede Frequenz mit fs/2; eine höhere Frequenz erscheint bei fa = |f − k·fs| mit dem nächstgelegenen Vielfachen von fs.
  3. Bestimme bei Auflösungsaufgaben 1 LSB = VFSR/2ᴺ oder das kleinste N mit 2ᴺ ≥ Spanne/Auflösung.
  4. Zähle bei Datenraten und UART-Verbindungen alles, was gesendet wird: Kanäle, Abtastwerte pro Sekunde, Bits oder ganze Bytes pro Abtastwert sowie Start-, Paritäts- und Stoppbits jedes Frames.

Operationsverstärker

Invertierender Verstärker
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Nichtinvertierender Verstärker
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Summierverstärker
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Idealer Operationsverstärker
V+ = V−, Iin = 0

Reihen- und Parallelschaltung

Widerstände in Reihe
Req = R1 + R2 + …
Widerstände parallel
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Zwei parallel
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Ohmsches Gesetz
V = I·R
Leistung
P = V·I = I²R = V²/R

Methode

  1. Beginne an dem Ende des Netzwerks, das am weitesten von den Klemmen entfernt ist.
  2. Fasse Widerstände in Reihe durch Addieren zusammen und parallele Widerstände mit 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Zeichne die Schaltung nach jedem Schritt neu.
  4. Wiederhole das, bis zwischen den Klemmen ein einziger Widerstand übrig ist.

Thévenin und Norton

Thévenin-Spannung
Vth = Vopen circuit
Thévenin-Widerstand
Rth: alle Quellen abgeschaltet, von a–b aus gesehen
Norton-Strom
IN = Vth/Rth
Laststrom
IL = Vth/(Rth + RL)
Maximale Leistungsübertragung
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Methode

  1. Entferne die Last und markiere die beiden Klemmen a und b.
  2. Bestimme die Leerlaufspannung zwischen a und b: Das ist Vth.
  3. Schalte alle unabhängigen Quellen ab und bestimme den Widerstand, den man von a–b aus sieht: Das ist Rth.
  4. Schließe die Last wieder an die Ersatzschaltung an: Vth in Reihe mit Rth.
  5. Für die Norton-Ersatzschaltung umrechnen: IN = Vth/Rth, mit RN = Rth parallel.

2Übungsaufgaben

1.Wheatstone-Brücke und DehnungsmessstreifenMittel
+−10 VR1​ = 100 ΩR2​ = 500 ΩR3​ = 80 ΩR4​ = 20 Ωab+−Rth​ = ?

Bestimme den Thevenin-Widerstand Rth der gezeigten Brücke, von den Ausgangsklemmen a und b aus gesehen.

Vs = 10 VR1 = 100 ΩR2 = 500 ΩR3 = 80 ΩR4 = 20 Ω
Rth = Ω
2.Wheatstone-Brücke und DehnungsmessstreifenSchwer
+−10 V1000 Ω1000 Ω + ΔR1000 Ω1000 Ωab+−1,281 mV

Ein Dehnungsmessstreifen (GF = 2,05) an einem Bauteil mit E = 110 GPa bildet eine Viertelbrücke mit 10 V Speisespannung. Der Ausgang zeigt 1,281 mV. Bestimme die axiale Spannung σ in MPa.

Vs = 10 VGF = 2,05Vo = 1,281 mVE = 110 GPa
σ = MPa
3.Messdatenerfassung und AbtastungMittel
tTs​ = 1/fs​f = 32 kHzfs​ = 20 kHz

Eine Sinuswelle mit 32 kHz wird ohne Anti-Aliasing-Filter mit 20 kHz abgetastet. Bei welcher Frequenz fa erscheint sie in den Abtastwerten? Gib sie in kHz an.

f = 32 kHzfs = 20 kHz
fa = kHz
4.Messdatenerfassung und AbtastungSchwer
T5 mV/°C×10∿01N = 8, 10 V? °C/LSB

Ein Temperatursensor liefert 5 mV/°C (0 V bei 0 °C). Sein Signal wird 10-fach verstärkt und einem 8-Bit-ADC mit einem Bereich von 0 bis 10 V zugeführt (1 LSB = VFSR/2ᴺ). Bestimme die Temperaturänderung ΔTLSB, die einem LSB entspricht.

S = 5 mV/°CG = 10N = 8VFSR = 10 V
ΔTLSB = °C
5.OperationsverstärkerMittel
−+Vout​Rf​ = 4,7 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = −0,1 V

Der Operationsverstärker ist ideal und wird mit ±15 V versorgt. Bestimme die Ausgangsspannung Vout.

Vin = −0,1 VR1 = 1 kΩRf = 4,7 kΩ
Vout = V
6.OperationsverstärkerSchwer
Vin​V1​Vout​Stufe 1: invertierendR1​ = 10 kΩRf1​ = 10 kΩStufe 2: nicht invertierendR2​ = 47 kΩRf2​ = 2 kΩ

Zwei ideale Operationsverstärkerstufen sind in Kette geschaltet: ein invertierender Verstärker (R1, Rf1), gefolgt von einem nicht invertierenden Verstärker (R2 nach Masse, Rf2 in der Rückkopplung). Beide werden mit ±15 V versorgt. Der Eingang ist Vin = 0,3 V. Bestimme die Ausgangsspannung Vout.

R1 = 10 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 47 kΩRf2 = 2 kΩVin = 0,3 V
Vout = V
7.Reihen- und ParallelschaltungMittel
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​8 ΩB

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
8.Reihen- und ParallelschaltungSchwer
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAR4​30 ΩBR6​8 Ω

Bestimme den Ersatzwiderstand Req, den die Quelle V1 sieht.

V1 = 5 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 ΩR6 = 8 Ω
Req = Ω
9.Thévenin und NortonMittel
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAab

Bestimme die Thévenin-Spannung Vth an den Klemmen a–b.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.Thévenin und NortonSchwer
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAIs​0,5 ABab

Bestimme den Norton-Strom IN: den Strom, der von a nach b fließt, wenn die Klemmen kurzgeschlossen sind.

V1 = 24 VIs = 0,5 AR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 Ω
IN = A

3Lösungen

1.Wheatstone-Brücke und Dehnungsmessstreifen

Antwort: Rth = 99,33 Ω

Wheatstone-Brücke: Zwei Spannungsteiler teilen sich eine Versorgung Vs. Der linke Teiler R1–R2 liefert Va = Vs·R2/(R1 + R2) und der rechte Teiler R3–R4 liefert Vb = Vs·R4/(R3 + R4); die Ausgangsspannung ist Vab = Va − Vb. Die Brücke ist abgeglichen (Vab = 0, kein Strom im Messgerät), wenn R1/R2 = R3/R4 gilt, also R1·R4 = R2·R3. Vom Ausgang aus gesehen ist die Brücke eine Thevenin-Quelle mit Rth = R1∥R2 + R3∥R4.

Versorgung kurzgeschlossen

R₁∥R₂ = 100·500/600 = 83,33 Ω
R₃∥R₄ = 80·20/100 = 16 Ω

Thévenin-Widerstand

Rth = 99,33 Ω

Antwort

Rth = 99,33 Ω
2.Wheatstone-Brücke und Dehnungsmessstreifen

Antwort: σ = 27,49 MPa

Dehnungsmessstreifen: Ein Streifen ändert seinen Widerstand mit der Dehnung: ΔR/R = GF·ε, wobei der k-Faktor GF bei Metallfolien etwa 2 beträgt. In einer Brücke mit lauter gleichen Zweigen R liefert ein aktiver Streifen (Viertelbrücke) Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Zwei aktive Streifen mit entgegengesetzter Dehnung in benachbarten Zweigen (Halbbrücke) liefern Vs·GF·ε/2, und vier (Vollbrücke) liefern Vs·GF·ε. Die Spannung folgt aus dem Hookeschen Gesetz, σ = E·ε. Kraftaufnehmer geben ihre Empfindlichkeit in mV/V an: die Ausgangsspannung bei Volllast je Volt Speisespannung.

Dehnung

ε = 4·0,001281/(10·2,05) = 0,00025

Spannung

σ = 110·10³ MPa·0,00025 = 27,49 MPa

Antwort

σ = 27,49 MPa
3.Messdatenerfassung und Abtastung

Antwort: fa = 8 kHz

Abtastung: Ein ADC misst das Signal fs-mal pro Sekunde. Nach dem Nyquist-Shannon-Theorem wird eine Frequenz f nur dann korrekt erfasst, solange f < fs/2 gilt, der Nyquist-Frequenz (Faltungsfrequenz); die Abtastrate muss also größer sein als das Doppelte der höchsten Signalfrequenz. Eine höhere Frequenz geht nicht verloren: Sie erscheint als Alias bei fa = |f − k·fs|, wobei die ganze Zahl k das Ergebnis in den Bereich zwischen 0 und fs/2 bringt. Die Abtastwerte können beide nicht unterscheiden, daher muss ein analoges Anti-Aliasing-Filter vor dem ADC alles oberhalb von fs/2 entfernen.

Nyquist-Frequenz

fs/2 = 10 kHz < f = 32 kHz

Nächstes Vielfaches der Abtastrate

k = round(32/20) = 2

Alias-Frequenz

fa = |32 − 2·20| = 8 kHz

Antwort

fa = 8 kHz

Die gestrichelte Kurve in der Abbildung ist der Alias: Sie verläuft genau durch dieselben Abtastwerte.

4.Messdatenerfassung und Abtastung

Antwort: ΔTLSB = 0,7813 °C

ADC-Auflösung: Ein N-Bit-Umsetzer teilt seinen Vollaussteuerbereich VFSR in 2ᴺ Codes, von 0 bis 2ᴺ − 1. Ein Schritt ist 1 LSB = VFSR/2ᴺ: die kleinste Änderung, die der Umsetzer anzeigen kann. Ein abschneidender ADC liefert den Code ⌊Vin/LSB⌋; ein rundender ADC liegt nie mehr als ½ LSB vom wahren Wert entfernt, das ist sein Quantisierungsfehler. Jedes zusätzliche Bit halbiert das LSB und erhöht das ideale Signal-Quantisierungsrausch-Verhältnis SQNR = 6,02·N + 1,76 dB für einen vollausgesteuerten Sinus um etwa 6 dB. Um eine Auflösung r über einer Spanne zu erreichen, wähle das kleinste N mit 2ᴺ ≥ Spanne/r.

Schrittweite

1 LSB = 10000/256 = 39,06 mV

Empfindlichkeit am ADC

5·10 = 50 mV/°C

Temperaturauflösung

ΔTLSB = 39,06/50 = 0,7813 °C

Antwort

ΔTLSB = 0,7813 °C

Der ADC erreicht die Vollaussteuerung bei 200 °C.

5.Operationsverstärker

Antwort: Vout = −0,57 V

Regeln für den idealen Operationsverstärker: Mit Gegenkopplung stellt der OPV seinen Ausgang so ein, dass beide Eingänge auf derselben Spannung liegen (V₋ = V₊), und in keinen Eingang fließt Strom. Die Knotenregel am invertierenden Eingang mit diesen beiden Tatsachen liefert den Ausgang.

Der invertierende Eingang folgt dem Eingang

V₋ = V₊ = −0,1 V
I = V₋/R1 = −0,1/1 = −0,1 mA

Ausgangsspannung

Der Strom durch R₁ fließt auch durch Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,1 + (−0,1)·4,7 = −0,57 V

Antwort

Vout = −0,57 V
6.Operationsverstärker

Antwort: Vout = −0,3128 V

Regeln für den idealen Operationsverstärker: Mit Gegenkopplung stellt der OPV seinen Ausgang so ein, dass beide Eingänge auf derselben Spannung liegen (V₋ = V₊), und in keinen Eingang fließt Strom. Die Knotenregel am invertierenden Eingang mit diesen beiden Tatsachen liefert den Ausgang.

Verstärkung jeder Stufe

A1 = −Rf1/R1 = −10/10 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/47 = 1,043

Stufe für Stufe

V1 = −1·0,3 = −0,3 V
Vout = 1,043·(−0,3) = −0,3128 V

Antwort

Vout = −0,3128 V
7.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 14,5 Ω

Reihen- und Parallelschaltung: In Reihe fließt durch jeden Widerstand derselbe Strom, und R = R₁ + R₂ + …. Parallel liegt an jedem Widerstand dieselbe Spannung, und 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Eine Kettenschaltung wird Paar für Paar vereinfacht, bis ein einziger Ersatzwiderstand übrig bleibt.

R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​8 ΩB

Widerstände vom fernen Ende her zusammenfassen

Beginne am Ende, das am weitesten von der Quelle entfernt ist, und arbeite dich zu ihr zurück. Widerstände mit demselben Strom liegen in Reihe; Widerstände zwischen denselben zwei Knoten liegen parallel.

R3 + R4 = 10 + 8 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 6·18/(6+18) = 4,5 Ω
Req = R1 + 4,5 = 10 + 4,5 = 14,5 Ω

Antwort

Req = 14,5 Ω
8.Reihen- und Parallelschaltung

Antwort: Req = 12,03 Ω

Reihen- und Parallelschaltung: In Reihe fließt durch jeden Widerstand derselbe Strom, und R = R₁ + R₂ + …. Parallel liegt an jedem Widerstand dieselbe Spannung, und 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Eine Kettenschaltung wird Paar für Paar vereinfacht, bis ein einziger Ersatzwiderstand übrig bleibt.

R1​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​5 VR2​12 ΩAR4​30 ΩBR6​8 Ω

Widerstände vom fernen Ende her zusammenfassen

Beginne am Ende, das am weitesten von der Quelle entfernt ist, und arbeite dich zu ihr zurück. Widerstände mit demselben Strom liegen in Reihe; Widerstände zwischen denselben zwei Knoten liegen parallel.

R5 + R6 = 12 + 8 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 12 Ω
R3 + 12 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 7,034 Ω
Req = R1 + 7,034 = 5 + 7,034 = 12,03 Ω

Antwort

Req = 12,03 Ω
9.Thévenin und Norton

Antwort: Vth = 3,75 V

Satz von Thévenin: Jedes lineare Zweipolnetzwerk verhält sich wie eine einzige Spannungsquelle Vth in Reihe mit einem Widerstand Rth. Der Satz von Norton beschreibt dasselbe Netzwerk als Stromquelle IN = Vth/Rth parallel zu Rth.

R1​ = 6 ΩR3​ = 3 ΩKURZSCHLUSSR2​2 ΩAabRth​

Rth bei abgeschalteten Quellen bestimmen

Ersetze Spannungsquellen durch Kurzschlüsse und Stromquellen durch Leerläufe und blicke dann von a–b in die Schaltung.

R1 ∥ R2 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 3 = 4,5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAab+−Vth​

Vth bestimmen, die Leerlaufspannung

Bei offenen Klemmen a–b fließt kein Strom durch R₃, also fällt daran keine Spannung ab und V_b = V_A. R₁ und R₂ bilden einen Spannungsteiler.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 15·2/(6+2) = 3,75 V
10.Thévenin und Norton

Antwort: IN = 0,5 A

Satz von Thévenin: Jedes lineare Zweipolnetzwerk verhält sich wie eine einzige Spannungsquelle Vth in Reihe mit einem Widerstand Rth. Der Satz von Norton beschreibt dasselbe Netzwerk als Stromquelle IN = Vth/Rth parallel zu Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩKURZSCHLUSSR2​6 ΩAOFFENBabRth​

Rth bei abgeschalteten Quellen bestimmen

Ersetze Spannungsquellen durch Kurzschlüsse und Stromquellen durch Leerläufe und blicke dann von a–b in die Schaltung.

R1 ∥ R2 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 4 = 8 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAIs​0,5 ABab+−Vth​

Vth bestimmen, die Leerlaufspannung

Bei offenen Klemmen a–b fließt Iₛ nur über R₃ in Knoten A. Bestimme V_A durch Überlagerung von V₁ und Iₛ und addiere dann den Spannungsabfall an R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 8 + (−0,5)·4 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + (−0,5)·4 = 4 V
IN​0,5 ARth​8 Ωab

Norton-Ersatzschaltbild

Eine Norton-Quelle ist dieselbe Schaltung, gesehen als Stromquelle parallel zu R_th. Ihr Strom ist der Kurzschlussstrom an a–b.

IN = Vth/Rth = 4/8 = 0,5 A

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